闪存存储系统作为一种高性能、低功耗、非易失的存储设备已经被广泛应用于嵌入式系统、桌面系统以及数据中心。然而闪存存储系统普遍存在写性能较差,不可就地更新和寿命较短等问题。这些问题是闪存存储系统广泛应用的主要障碍。因此,设计有效的管理方案以优化闪存存储系统性能,是闪存存储系统的成功应用至关重要。本论文中我们主要针对闪存存储系统在应用中所表现出的以下几个重要特征来优化闪存性能：(1)闪存存储系统读写操作在读写速度上存在较大的不对称性；(2)闪存存储系统的更新操作具有不可就地更新的特征；(3)闪存存储系统的读、写和擦除操作存在操作粒度不对称的特征。本论文将针对闪存存储系统应用于磁盘缓存系统和外部存储系统展开研究。本文的主要工作和创新如下：首先研究闪存作磁盘缓存系统的问题。基于闪存的磁盘缓存系统研究已久,然而目前的闪存磁盘缓存系统很难满足其寿命和性能的要求。尽管有大量工作关注于优化闪存性能和寿命,然而对于高密度、高随机化的应用,这些方法都无法从根本上解决问题。本文考虑闪存作磁盘缓存的特征,提出了一个混合的磁盘缓存系统。我们通过使用新型非易失性存储器和闪存组合构成混合式磁盘缓存,通过减少闪存低效的写操作和擦除操作来优化闪存的写性能和延长闪存寿命。本文中,我们使用的新型非易失性存储器是相变存储器,它是目前最有发展潜质的非易失性存储器之一。其次研究闪存作外部存储器的问题。我们考虑在此类存储系统中通过主机系统来优化闪存存储系统性能。目前,已有部分工作在虚拟内存系统中通过挖掘闪存读写不对称的特征来设计优化方案。然而这些方案都普遍存在不能够有效利用闪存存储系统中写缓存的问题。写缓存是目前闪存存储系统中的一个重要部件。本文首次设计了一个对写缓存感知的虚拟内存管理方案,通过对写缓存管理和虚拟内存管理的联合设计,从而达到性能最大化。与此同时,为了配合虚拟内存中所提出的管理方案,本文还设计了一个新的写缓存管理方案。虽然从主机系统通过设计虚拟内存管理方案可以有效地改善闪存存储系统性能,然而在很多情况下虚拟内存对外部存储器的设计并不可知。在本文最后部分,我们提出了一个统一的写缓存管理方案。通过对目前现有写缓存管理算法的分析,我们发现目前的写缓存管理方案普遍存在对缓存行访问信息不可知的特征。由此我们设计了一个统一写缓存管理模型。根据这个模型,我们提出了统一的写缓存管理方案用于减少闪存存储系统写操作和擦除操作从而优化闪存存储系统性能和寿命。